Modelo matemático prevê a melhor maneira de construir músculos





Um novo modelo matemático é capaz de prever o regime de exercício ideal para ajudar a construir músculos.

Pesquisadores desenvolveram um modelo matemático que pode prever o regime de exercício ideal para a construção muscular.

Os pesquisadores, da Universidade de Cambridge, usaram métodos de biofísica teórica para construir o modelo, que pode dizer o quanto uma quantidade específica de esforço fará com que um músculo cresça e quanto tempo levará. O modelo poderia formar a base de um produto de software, onde os usuários poderiam otimizar seus regimes de exercício inserindo alguns detalhes de sua fisiologia individual.

O modelo é baseado em trabalhos anteriores da mesma equipe, que descobriu que um componente do músculo chamado é responsável pela geração dos sinais químicos que afetam o crescimento muscular.

Os resultados, relatados no Biophysical Journal,sugerem que há um peso ideal para fazer treinamento de resistência para cada pessoa e cada meta de crescimento muscular. Os músculos só podem estar perto de sua carga máxima por um tempo muito curto, e é a carga integrada ao longo do tempo que ativa a via de sinalização celular que leva à síntese de novas proteínas musculares. Mas abaixo de um certo valor, a carga é insuficiente para causar muita sinalização, e o tempo de exercício teria que aumentar exponencialmente para compensar. O valor dessa carga crítica provavelmente dependerá da fisiologia particular do indivíduo.

Todos sabemos que o exercício constrói músculos. Ou não? "Surpreendentemente, não se sabe muito sobre por que ou como o exercício constrói músculos: há muito conhecimento anedótico e sabedoria adquirida, mas muito pouco no caminho de dados duros ou comprovados", disse o professor Eugene Terentjev, do Laboratório Cavendish de Cambridge, um dos autores do artigo.

Ao se exercitar, quanto maior a carga, mais repetições ou maior a frequência, maior será o aumento do tamanho muscular. No entanto, mesmo quando se olha para todo o músculo, por que ou o quanto isso acontece não é conhecido. As respostas para ambas as perguntas ficam ainda mais complicadas à medida que o foco se resume a um único músculo ou suas fibras individuais.

Os músculos são compostos de filamentos individuais, que têm apenas 2 micrômetros de comprimento e menos de um micrometre em toda, menor do que o tamanho da célula muscular. "Por causa disso, parte da explicação para o crescimento muscular deve estar na escala molecular", disse o coautor Neil Ibata. "As interações entre as principais moléculas estruturais no músculo só foram reunidas há cerca de 50 anos. Como as proteínas menores e acessórios se encaixam na imagem ainda não está totalmente clara."

Isso porque os dados são muito difíceis de obter: as pessoas diferem muito em sua fisiologia e comportamento, tornando quase impossível realizar um experimento controlado sobre mudanças no tamanho muscular em uma pessoa real. "Você pode extrair células musculares e olhar para elas individualmente, mas isso ignora outros problemas como níveis de oxigênio e glicose durante o exercício", disse Terentjev. "É muito difícil olhar para tudo junto."

Terentjev e seus colegas começaram a analisar os mecanismos da mecanosensing – a capacidade das células de sentir pistas mecânicas em seu ambiente – há vários anos. A pesquisa foi notada pelo Instituto Inglês de Esportes, que estava interessado em saber se poderia estar relacionado com suas observações na reabilitação muscular. Juntos, eles descobriram que a hipertrofia muscular estava diretamente ligada ao trabalho de Cambridge.

Em 2018, os pesquisadores de Cambridge iniciaram um projeto sobre como as proteínas nos filamentos musculares mudam sob força. Eles descobriram que os principais componentes musculares, actina e miosina, não possuem locais de ligação para moléculas de sinalização, por isso tiveram que ser o terceiro componente muscular mais abundante – titin – que foi responsável por sinalizar as mudanças na força aplicada.

Sempre que parte de uma molécula está sob tensão por um tempo suficiente, ela alterna para um estado diferente, expondo uma região anteriormente escondida. Se essa região pode então se ligar a uma pequena molécula envolvida na sinalização celular, ela ativa essa molécula, gerando uma cadeia de sinais químicos. Titin é uma proteína gigante, grande parte da qual é estendida quando um músculo é esticado, mas uma pequena parte da molécula também está sob tensão durante a contração muscular. Esta parte da titina contém o chamado domínio titin quinase, que é o que gera o sinal químico que afeta o crescimento muscular.

A molécula será mais propensa a abrir se estiver sob mais força, ou quando mantida sob a mesma força por mais tempo. Ambas as condições aumentarão o número de moléculas de sinalização ativadas. Essas moléculas então induzem a síntese de mais RNA mensageiro, levando à produção de novas proteínas musculares, e a seção transversal da célula muscular aumenta.

Essa realização levou ao trabalho atual, iniciado por Ibata, ele próprio um atleta afiado. "Eu estava animado para obter uma melhor compreensão tanto do porquê quanto de como de crescimento muscular", disse ele. "Tanto tempo e recursos poderiam ser economizados para evitar regimes de exercícios de baixa produtividade e maximizar o potencial dos atletas com sessões regulares de maior valor, dado um volume específico que o atleta é capaz de alcançar."

Terentjev e Ibata se propus a restringir um modelo matemático que poderia dar previsões quantitativas sobre o crescimento muscular. Eles começaram com um modelo simples que manteve o controle das moléculas de titínia abrindo sob força e iniciando a cascata de sinalização. Eles usaram dados de microscopia para determinar a probabilidade dependente da força de que uma unidade de quinase de titina abriria ou fecharia sob força e ativaria uma molécula de sinalização.

Eles então tornaram o modelo mais complexo, incluindo informações adicionais, como troca de energia metabólica, bem como comprimento de repetição e recuperação. O modelo foi validado utilizando estudos de longo prazo passados sobre hipertrofia muscular.

"Nosso modelo oferece uma base fisiológica para a ideia de que o crescimento muscular ocorre principalmente em 70% da carga máxima, que é a ideia por trás do treinamento de resistência", disse Terentjev. "Abaixo disso, a taxa de abertura da quinase titin cai vertiginosamente e impede que a sinalização mecanosensível ocorra. Acima disso, a exaustão rápida impede um bom resultado, que nosso modelo previu quantitativamente."

"Um dos desafios na preparação de atletas de elite é o requisito comum para maximizar as adaptações, ao mesmo tempo em que equilibra as compensações associadas, como os custos de energia", disse Fionn MacPartlin, Senior Strength & Conditioning Coach do Instituto Inglês de Esportes. "Este trabalho nos dá mais informações sobre os mecanismos potenciais de como os músculos sentem e respondem à carga, o que pode nos ajudar a projetar mais especificamente intervenções para atingir esses objetivos."

O modelo também aborda o problema da atrofia muscular, que ocorre durante longos períodos de repouso na cama ou para astronautas em microgravidade, mostrando tanto quanto um músculo pode se dar ao luxo de permanecer inativo antes de começar a se deteriorar, e qual o regime ideal de recuperação.

Eventualmente, os pesquisadores esperam produzir um aplicativo baseado em software fácil de usar que possa dar regimes de exercício individualizados para objetivos específicos. Os pesquisadores também esperam melhorar seu modelo, ampliando sua análise com dados detalhados para homens e mulheres, já que muitos estudos de exercícios são fortemente tendenciosos em relação aos atletas do sexo masculino.


“Why exercise builds muscles: titin mechanosensing controls skeletal muscle growth under load” by Eugene Terentjev et al. Biophysical Journal


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